CN109476080A - 用于增加组件层与载体对象的粘附性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

对于在立体光刻工艺中将物体(3)粘附到物体载体(15)，其中，所述物体(3)通过固化辐射的方式固化光敏物质(5)而形成，至少在所述物体载体(15)的一个局部区域中，二次辐射以不同于所述固化辐射方向的方向辐射到所述物体载体(15)以粘附所述物体(3)，其中，所述二次辐射被横向供应到大致平面的、可透射辐射的所述物体载体(15)并且在所述物体载体(15)内偏转。

Description

用于增加组件层与载体对象的粘附性的装置和方法
本发明涉及一种在立体光刻工艺中将物体粘附到物体载体上的方法，所述物体通过固化辐射固化光敏物质形成，其中至少在所述物体载体的一个局部区域中，二次辐射以不同于所述固化辐射方向的方向辐射到所述物体载体，以便粘附所述物体。本发明还涉及用于执行所述方法的装置。
旨在在立体光刻过程开始时增加组件层的粘附性的方法和装置是已知的。这种情况的一个例子是WO2010/045951中描述的技术，其中光从上方通过下侧透光的构造平台额外耦合到光敏物质中。其结果是额外的辐射允许第一组件层的更好粘附。然而，这种已知的解决方案具有诸多缺点：例如，光源位于构造平台本身并与其一起移动，尽管光源仅在第一组件层期间使用。这需要向构造平台供电。此外，通过将光源集成到构造平台中，其成本显著增加，并且不能创建允许单次使用的系统。同样地，由于清洁液体可能渗透到构造平台中并污染光源，所以构造平台不能，或者只有在困难情况下与位于其上的部件同时放置在清洁设备中。
从US2015/290874A1已知一种装置，其中光布局围绕槽(vat)引导到位于其上方的物体。在这种情况下使用的镜子同时用于照亮槽的下侧。
本发明的目的是解决现有技术中已知的困难和问题，以便更好和更经济地集成到用于生产三维物体的设备概念中，并且在构造过程中实现第一物体层的更好粘附。
为了解决该目的，根据本发明的方法尤其提供，二次辐射被横向供应到大致平面的、可透射辐射的物体载体并且在物体载体内偏转。
根据本发明的装置的特征在于，二次辐射源横向布置在距物体载体一定距离处，并且实际上所述物体载体至少部分地可透过所述二次辐射。
在本发明的立体光刻技术中，物体与物体载体的粘附是通过二次辐射实现的。光源不位于所述物体载体中；光源可以位于距所述物体载体的局部距离处，并且例如可以布置在所述物体载体周围，所述物体载体具有至少部分可透光的多个开口或窗口，光可以通过所述开口或窗口耦入和/或耦出。所述物体载体可以例如相对于二级光源和/或初级光源独立地移动，并且两个光源可以被布置和实现为使得它们允许在包括至少第一和/或前两个、五个、十个或二十个组件层的区域上辐射所述物体载体或光耦入。
本文中的“光”或“辐射”应理解为任何类型的电磁辐射，例如紫外辐射或红外辐射。光源具有至少一个辐射发射器，例如，其可以发射至少一个特定波长范围的辐射的(例如)LED；光源优选地具有多个辐射源，例如具有不同波长和辐射行为的(例如)多个LED，从而可以覆盖和/或选择性地解决(例如)365nm至405nm的整个波长范围。优选地，波长用于耦合到构造平台中，这允许光敏物质的更深固化。这可以(例如)通过使中心波长位于使用的光引发剂的效率较低的波长范围(例如405nm)内来实现。在这种情况下，取决于所使用的光引发剂，中心波长可以例如在UV范围内与用于固化光敏物质的初级辐射不同，差异为5nm，10nm，20nm，40nm或更大。此外，光源可以在时间上和/或在其强度上并且彼此独立地控制。
在结构方面，构造平台优选配置为使得可以允许辐射的耦入尽可能有效且散射辐射低。特别地，所述构造平台可以被配置成使得其充当一种“光导”并且具有(例如)腔室，至少部分反射的表面(例如镜片，镜板等)或者例如局部可调节的镜子位于所述腔室中。辐射可以耦合到所述构造平台或所述物体载体中，使得可以实现局部强度最大值的变化；这可以通过例如改变所述物体载体的位置，通过改变辐射的入射角，和/或通过所述物体载体内的偏转镜的局部变化，通过改变LED电流，通过存在于初级光源中的DMD实现。
优选地，两个光源也可以用于其他目的，例如，用于照亮内部，用于发信号通知过程阶段(例如，物体完成、过程暂停和过程终止)，用于固化剩余的光敏物质和用于对所生成的组件进行后曝光，以及，例如与相机组合的光源，用于3D扫描所生成的组件。为此目的，例如，取决于期望的功能，所使用的至少一个光源可以相应地由具有中心波长的至少一个辐射源(LED)构造和/或可以配备有光学系统，并且其可以通过控制器，相对于强度、辐射持续时间、可选地相对于辐射图案(例如，直线图案)和辐射输入的位置单独或部分地(例如，根据LED阵列的线和列)有针对性地被触发。这允许依赖于位置、依赖于强度和时间的辐射输入到构造平台中，以及在LED阵列的不同位置处辐射或耦入辐射和/或使用不同发射器或波长的可能性。因此，例如，当使用至少一个UV-LED面板时，可能仅触发可在相应位置处耦合到物体载体中的辐射区域；在稍后的时间点，例如在完成三维体和相应的后处理步骤(物体的清洁等)之后，所产生的物体可以通过例如触发所有UV-LED或所有使用的面板，例如借助于二级光源，以及可选地，初级光源来后曝光。
关于简单、廉价的配置，优选的是，二次辐射源自于固化辐射。另一方面，在许多情况下也很方便的是，使用独立于所述固化辐射的辐射作为二次辐射。此外，有利的是，二次辐射经由光导提供给物体载体。还可以规定，在粘附过程中，在粘附区域上调节二次辐射。
关于本装置，特别有利的是，二次辐射源由光导形成。在这种情况下，进一步方便的是，光导以光传导的方式连接到立体光刻主辐射源。
另一方面，还提供了独立于主辐射源的二次辐射源。
进一步方便的是，所述物体载体被实现为部分地可透射辐射并且至少部分地反射，以便将二次辐射偏转到物体的粘附区域。物体载体还可包括镜面。在这种情况下，进一步有利的是，所述镜面被实现为漫反射。另一方面，还可以提供，所述物体载体包括可移动地布置的偏转镜。最后，优选的是，所述物体载体具有粘附基板，该粘附基板至少部分地可透过辐射。
下面将参考优选的示例性实施例并参考附图解释本发明，然而，这些实施例是非限制性的。更具体地：
图1示出了立体光刻装置的示例性实施例的示意图；
图2，3和4示出了相对于图1修改的这种装置的实施例的视图；
图5和图5a示出了关于辐射形式的本发明的变型；和
图6至10示出了辐射耦合到构造平台中的变型。
图1以示例的方式示出了立体光刻装置1的示例性实施例，部分地以截面图示出，该装置1被配置为用于至少一个三维体或物体3的各个层3，3i逐层生成，所述三维体或物体3通过选择性凝固或固化位于槽7中的光敏物质5而产生，其中借助于初级光源9并且可选地借助于偏转镜11产生层信息。初级光源9可以是可控激光器，优选地是基于像素的数字掩模投影单元。初级光源9可以通过控制装置13控制。光敏物质5是液体，术语“液体”应理解为任何粘度的所有液体，包括糊状物质，以及填充的或着色的液体。例如，初级光源9由辐射发射器9'(例如UV LED)和掩模曝光装置9”(例如，能够生成基于像素的图像的DMD(数字镜像装置)或DLP(数字光处理)结构)制成。
由初级光源9固化所产生的层3i粘附到构造平台15上，该构造平台15用作物体载体，并且该构造平台15至少部分地对至少一个横向布置的二级光源17的辐射透明，并且可以实现为至少部分地反射，以便由于通过构造平台15的至少部分透明的基板19的反射，光源17的二次辐射向下出现成为可能。二次辐射被理解为同样适用于固化光敏物质5的辐射，其具有至少一个中心波长(例如405nm)和至少一种类型的辐射源(例如LED)并且可以由控制装置13控制，优选独立于初级光源9。在图1所示的示例性实施例中，二次辐射例如通过反射器21(例如镜子，反射箔或内部空间本身)偏转，该反射器21位于构造平台9内的二次辐射空间23中或由后者形成。
根据图1，初级光源9位于机器空间25中的槽7下方，并且它可以例如以可移动的方式布置在框架27上。
根据图1，二次辐射源17布置成使得它可以至少在某个区域上将二次辐射引入到构造平台15中，例如在构造过程开始时(例如在前2，5，10或20层上)，并且至少仅暂时地与构造平台15直接接触，优选地布置在距构造平台15距离A(例如，0.1mm，1mm至10mm，取决于实施例变型)处。构造平台15可以通过致动器27并借助于控制装置13升高或降低，例如，根据工艺的进展相对于槽7升高或降低。
如图1所示，二次辐射源17例如可以在合适的位置附接到机器框架27，并且它(例如)通过保护窗29发射二次辐射，也可以在二次辐射源17和构造平台15之间安排光学元件(透镜，漫射板，光导等)。
通过相应地布置和使用多个二次辐射源17或通过分开二次辐射，可以通过从多个侧面的横向耦合来允许构造平台15的几乎环形的照明。
与图1相比，图2示出了立体光刻装置101的实施例，该立体光刻装置101中至少一个二次辐射源17(例如)布置在框架27中，位于构造平台15下方，并且二次辐射由至少一个光导31(例如光杆)传导，该光导至少部分地对二次辐射透明，如图2所示，可选地可以进行90°偏转，以便从至少一侧将二次辐射耦合到构造平台15中。光波导31可以可拆卸地连接到框架27或二级光源17。这种布置保护二级光源17免受污染，并允许光导31的耦出(coupling-out)表面的几何和光学(例如圆形的，矩形的，透镜状的等)配置以及通过其几何配置以一定角度耦入；优选地，光导31的几何形状实现为使得可以出现尽可能少的散射光束。光导31优选地以单件形式实现，可以设置有护套，漆层等，其对于二次辐射是不透明的和/或反射的，以防止出现散射的辐射，并且使来自正面31'的二次辐射的光发射最大化。
图3示出了立体光刻装置102的另一实施例，该立体光刻装置102中二次辐射借助于槽7的边缘部分33在一侧(例如，从下方)偏转，特别优选地，槽7的至少一个边缘部分对二次辐射至少部分透明并且在至少一个部分中实现，所述至少一个部分用作二次辐射的光导，因此可以至少在一个点处横向耦合到构造平台15中。为了最小化或防止散射辐射在槽7中和/或通过槽7的传播，这可能导致光敏物质5的不期望的激活，优选地，槽7的边缘部分33可以被至少一个不透明的侧壁屏蔽，例如，至少一个部分反射的侧壁和/或漆层(例如，35，37)，使得仅通过正面33'对构造平台15进行一次横向照射。
图4中所示的立体光刻装置103具有可移动且可选地可聚焦的光源9(这里示为系统单元)，其可通过控制单元13并借助于至少一个可附接到(例如)框架27的线性马达39移动，其可以移动到机器空间25中的相应点X和/或其焦点可以由控制装置13设定，以便借助于光波导33将初级辐射作为“二次辐射”引入到构造平台15中。在另一变型中，例如，参见图5和5a，特殊曝光图像(例如，部分图像或边缘区域图像)可以用于传导初级辐射，通过光源9，可选地通过至少部分可移动的镜子系统，辐射到光导33中，发射的图像不必聚焦。在将辐射成功耦合到光波导33中之后，借助于线性单元39，光源9由控制单元13移动，例如，回到其原始位置。初级辐射源9优选地被实现为可聚焦和可移动，特别优选地，初级辐射可以在在光源9移动或不移动的情况下，例如通过移动偏转镜(未示出)，或通过折叠偏转镜直接耦合到光导33中。
图5和图5a示出了曝光掩模41或41'的可能示例，曝光掩模41或41'用于将初级辐射耦合到至少一个光波导33(参见图4)中并且因此用于利用初级辐射照射构造平台15，例如可以使用区域47或47'用于耦入，并且可以至少部分地存在层信息45或45'，用于形成组件层3i并且可选地非暴露的区域43，43'。借助于暴露区域47，47'将初级辐射引入光波导；在这种情况下，耦合波长可以对应于用于固化该层的波长，例如，它可以是388nm；初级光源9可以优选地另外发射具有另一波长(例如405nm)的二次辐射，其用于至少照亮构造平台15。
图6示出了构造平台151的有利的实施例的变体，构造平台151中形成了二次辐射空间23，该二次辐射空间23可以至少部分地配备有漫反射的、部分弯曲的表面，例如反射箔21'或涂层，其在至少部分透明的基板19上尽可能均匀地辐射横向进入的二次辐射。在这种情况下，窗口39可以至少部分地横向关闭二次辐射空间23并且可以至少部分地透过二次辐射以便允许辐射的耦入。二次辐射源17用作例如至少一个LED(例如UV LED)或灯(例如UVC灯)，其由保护窗29保护。
图7示出了构造平台152的另一变型，其具有可移动的反射器21”(例如镜子)，其可以与基板19成角度α(例如，45°)倾斜，从而允许照亮基板19。在这种情况下，光源17优选地具有至少部分准直的光束路径。
在图8中，类似于图7，构造平台153的多部件实施例以示意图示出，LED面板17(特别是具有单独的LED 17'，17”，17”'等)用于提供二次辐射，其可以由至少一种具有中心波长的LED类型构成，但是优选地由具有不同中心波长(例如，365，405，388nm)的不同LED类型构成。构造平台153设计成(例如)单件，但可选地也可以是多个部件，并且杯形下部49可以与附加窗口39，39'和支架20'一起与构造平台153分离。杯形下部49也可以例如通过透明塑料部件形成为单件。
图9示出了构造平台154的实施例的变体，其中设置有镜子21”'，其与基板19成角度β倾斜并且位于二次辐射空间23中。例如，该变型具有配置为校准二次辐射的光学系统51。
最后，图10示出了构造平台154的示例性实施例，该构造平台154中二次辐射(参见LED单元17)又横向耦合到中空的构造平台154中，即通过光波导33'和通过LED单元17耦入的辐射的全反射。

Claims (14)

1.一种在立体光刻工艺中将物体(3)粘附到物体载体(15)上的方法，其中所述物体(3)通过固化辐射的方式固化光敏物质(5)而形成，其中至少在所述物体载体(15)的一个局部区域中，二次辐射以不同于所述固化辐射方向的方向辐射到所述物体载体(15)以粘附所述物体(3)，其特征在于，所述二次辐射被横向供应到大致平面的、可透射辐射的所述物体载体(15)并且在所述物体载体(15)内偏转。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次辐射源自于所述固化辐射。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用独立于所述固化辐射的辐射作为二次辐射。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述二次辐射经由光导(31)被供应到所述物体载体(15)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在粘附过程中，在粘附区域上调节所述二次辐射。
6.一种用于实施根据权利要求1至5中任一项所述的方法的装置，其特征在于，二次辐射源(17)横向地布置在距所述物体载体(15)一定距离处，并且所述物体载体(15)至少部分地能够透过所述二次辐射。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述二次辐射源(17)由光导(31)形成。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光导(31)以光传导的方式连接到立体光刻主辐射源(9)。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，提供独立于主辐射源(9)的二次辐射源(17)。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述物体载体(15)被实现为能够至少部分地透射所述辐射并且至少部分地反射，以便将所述二次辐射偏转到所述物体(3)的粘附区域。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述物体载体(15)包括镜面(21)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述镜面(21)实现为漫反射。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述物体载体包括可移动地布置的偏转镜(21”)。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述物体载体具有粘附基板(19)，所述粘附基板至少部分地能透过所述辐射。
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